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工效学负荷与肌肉疲劳及其标志物研究

钟思武  
【摘要】:目的通过实验室模拟重复性搬举作业,分析疲劳进程中的自感疲劳、生理、血生化指标与工效学负荷间的量效关系;探索局部肌肉疲劳的评定方法;筛选疲劳过程中的敏感生物标志物,并分析敏感标志物间的关联。为肌肉骨骼损伤早期预防与诊断提供数据依据,为工作相关肌肉骨骼损伤(Work-related musculoskeletal disorders,WMSDs)发病机制的进一步研究提供参考。方法选取13名男性志愿者作为研究对象,在实验室模拟重复性手工搬举作业。搬举任务规划为4个时段(T1~T4),每个时段搬举活动持续12 min,再暂停休息3 min进行采样。通过搬举过程中做功总量反映作业外负荷;以搬举过程中局部肌肉的主观疲劳感受及表面肌电信号变化反映内负荷;采用主观疲劳等级(Rating of perceived exertion,RPE)评分作为局部肌肉疲劳的主观评定方法,采用幅频联合分析法(Joint analysis of sEMG spectrum and amplitude,JASA)作为疲劳的客观评定方法,综合主客观方法的结果作为本研究的疲劳评定方法,来反映机体整体疲劳状况。搬举过程中每6 min(除暂停时间)对局部肌肉进行1次疲劳等级评分,并全程监测受试者心率(Heart rate,HR)及呼吸频率(Respiratory rate,RR)变化。搬举全程采集受试者前臂肽梭肌(Brachioradialis,BR)、上臂胧二头肌(Biceps brachii,BB)、肩部三角肌(Deltoid muscle,DM)、腰部左右竖脊肌(Erector spinae,ES)及腿部股外侧肌(Vastus lateralis,VL)的表面肌电信号,分析肌电信号中的时域指标均方根值(Root mean square,RMS)及频域指标中位频率(Mean frequency,MF)。实验前及每个搬举时段暂停期间采集肘静脉血5 mL,共计5次,采用ELISA法和光学、电化学法(自动生化仪)检测血清中4类生化标志物的水平,包括:代谢性标志物氨(Ammonia,AMM)、乳酸(Lactic acid,LAC)、肌酸激酶(Creatine kinase,CK)、乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase,LDH)、血清软骨寡聚基质蛋白(Cartilage oligomeric matrix protein,COMP)、Ⅱ 型胶原质 C 末端端肽(C-telopeptide of collagen,CTX-Ⅱ)、Ⅰ型胶原质 C末端端肽(C-telopeptide of collagen I,CTX-Ⅰ)、钙离子(Calcium ion,Ca2+);氧化应激标志物谷胱甘肽(Glutathione,GSH);炎性标志物C-反应蛋白(C-reaction protein,CRP)、前列腺素E2(Prostaglandin E2,PG-E2)、白细胞介素6(Interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子α(Tumor necrosis factor α,TNF-α)和疼痛标志物神经肽Y(Neuropeptide Y,NPY)共计14项指标。采用SPSS22.0软件对各指标数据进行统计分析,检验水准α=0.05。结果1.各部位RPE随累积做功量增加呈线性升高趋势(P0.01),以腰部最为明显。心率、呼吸频率随累积做功量增加均呈线性升高趋势(P0.01)。2.各部位局部肌肉的RMS值随累积做功量的变化略有差异,以静态为主的静动混合作业肌肉肱桡肌、肱二头肌及左右竖脊肌呈先升后降趋势;以动态作业的肌肉三角肌RMS呈先降后升趋势,股外侧肌呈持续上升变化。多数肌肉(如肱桡肌、肱二头肌、三角肌及左右竖脊肌)的MF值随累积做功量呈下降趋势,仅有股外侧肌随负荷逐渐增加。肌肉疲劳时表现为振幅增大(RMS增大)和频谱左移(MF降低),则这些结果表明以静态为主的静动混合作业动作(肱桡肌、肱二头肌、竖脊肌)较动态作业动作(三角肌、股外侧肌)更容易出现疲劳。3.血生化指标变化:AMM、CK、LDH、COMP、Ca2+、NPY随累积做功量呈线性升高趋势(P0.01);CTX-Ⅱ、CTX-Ⅰ呈二项式变化趋势(P0.05);LAC呈三项式变化趋势(P0.01);PG-E2随累积做功量的变化有差异(P0.05),无明显变化趋势(P0.05)。CRP、GSH随累积做功量的变化无差异(P0.05)。IL-6、TNF-α未检出变化,结果为阴性。大部分标志物与外负荷呈低度正相关,其中AMM、CK、COMP、Ca2+代谢性指标与外负荷相关有统计学意义,并可进一步建立线性回归模型。上述结果表明部分血生化标志物与外负荷间有一定量效关系,血生化标志物的变化可反映外负荷的作用,为疲劳的分析奠定基础。4.各标志物之间也呈现出一定程度的相关性,代谢性标志物:AMM 与 LAC、LDH;LAC 与 CTX-Ⅰ、Ca2+;CK与 LDH、CTX-Ⅰ、Ca2+为中度正相关。AMM与COMP;LAC与LDH、COMP、CTX-Ⅱ;LDH与COMP、Ca2+;CTX-Ⅰ与Ca2+为低度正相关。代谢性标志物LDH与炎性标志物PG-E2、疼痛标志物NPY分别为低度和中度正相关。炎性标志物PG-E2与疼痛标志物NPY为高度正相关。这些结果体现了各类标志物之间和标志物内部在疲劳进程过程中的联动性。5.疲劳评定:主观疲劳(RPE量表评定)出现时段为搬举作业第2个任务段(13~24min);客观疲劳(JASA评定)出现时段为搬举作业第2个任务段(13~24 min),两种方法的结果一致。6.疲劳前后多数标志物存在明显变化,AMM、LAC、CK、LDH、COMP、CTX-Ⅱ、Ca2+、NPY疲劳后比疲劳前有显著性升高(P0.01),CTX-Ⅱ和PG-E2、GSH、CRP疲劳前后的差异无统计学意义(P0.05)。在疲劳进程中AMM、LAC对疲劳最敏感,CTX-Ⅱ、COMP、CK、LDH、NPY为较敏感,Ca2+为一般敏感。结论作业活动中主观疲劳感受、生理、血生化指标与外负荷具有量效关系,不同指标的量效关系有所差异。代谢性标志物(血AMM、LAC、CK、LDH、COMP、CTX-Ⅱ、Ca2+)及疼痛标志物(血NPY)对疲劳反映敏感,能客观、有效地反映肌肉疲劳,在重复性作业活动中可作为评价疲劳的敏感指标。代谢性标志物之间、代谢性与疼痛标志物间、炎性与疼痛标志物间有较好相关性,可联合反映作业过程中的肌肉疲劳。


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